SIMPÓSIO IBÉRICO DO ENSINO DA GEOLOGIA XIV SIMPOSIO SOBRE ENSEÑANZA DE LA GEOLOGÍA XXVI CURSO DE ACTUALIZAÇÃO DE PROFESSORES DE GEOCIÊNCIAS
Modelos para a aprendizagem da estrutura interna da Terra Earth internal structure learning models Maria João C. Lima(1) e Celeste S. R. Gomes(2) (1)
Escola Secundária de Castelo de Paiva. R. Strecht de Vasconcelos, 147, 4550-150 Castelo de Paiva;
[email protected] (2) Departamento de Ciências da Terra, FCTUC, Largo Marquês de Pombal, 3000-272 Coimbra;
[email protected]
RESUMO Os modelos são instrumentos fundamentais para os cientistas e para os professores e alunos de ciências. Neste trabalho são apresentados os resultados de um estudo desenvolvido com um conjunto de alunos do 7º ano de escolaridade cuja participação se traduz, essencialmente, na construção, apresentação, discussão e avaliação de modelos sobre a estrutura interna da Terra. Os modelos, pensados e construídos em grupo, foram apresentados, na sala de aula e comparados com um modelo para o ensino, de forma a detectar imprecisões cometidas, numa actividade designada caça ao erro. Estas actividades permitiram que os alunos reflectissem sobre os seus próprios conhecimentos científicos e melhorassem, pelo menos em alguns casos, os modelos mentais sobre a estrutura interna da Terra. Palavras-chave: Modelo da estrutura interna da Terra; Modelos; Aprendizagem; Competências. SUMMARY Models are key instruments for scientists and science teachers and students. This work presents the findings of a study developed with a 7th grade group of students, who took part mainly in the construction, presentation, discussion and assessment of models about the internal earth structure. These models, which were designed and built in group, were presented in the classroom and compared with a teaching model in order to identify the mistakes made by means of an activity called “error hunt”. These activities allowed the students to become aware of their own scientific knowledge and made it possible for them to improve, at least in some cases, their mental models about the earth internal structure. Key words: Earth internal structure model; Models; Learning; Competences. 1. Introdução Compreender a Ciência é compreender os modelos que os cientistas usam (Harrison & Treagust, 1996). Os modelos são elaborados, modificados e substituídos pelos cientistas na construção do conhecimento. Designam-se consensuais quando, depois de dados a conhecer à comunidade científica específica e avaliados por esta, são publicados e, portanto, amplamente divulgados (e. g. Cool & France, 2005). Por exemplo, os modelos da estrutura interna da Terra podem designar-se científicos e consensuais. Um exemplo actual destes modelos pode encontrar-se em Garnero et al. (2005). Nos manuais escolares e nas aulas, são utilizados modelos simplificados, que se designam por modelos para o ensino (”teaching models”, France, 2000, Zimmermann, 2000, citados em Cool & France, 2005). A modelação como instrumento pedagógico deve envolver ciclos de construção de modelos, aplicados a um problema específico, exploração das suas características, avaliação e revisão (Justi & Gilbert, 1999). No ensino/aprendizagem dos conteúdos de Geologia, alguns dos problemas mais frequentes relacionam-se com as dificuldades na compreensão dos conceitos e dos fenómenos e, muitas vezes, com a linguagem utilizada. Alguns conceitos geológicos são abstractos e, por isso, podem tornar-se mais complexos. Alguns fenómenos não podem observar-se directamente, o que dificulta o seu entendimento. A natureza das Ciências da Terra, centradas no estudo de sistemas dinâmicos e complexos, pode implicar maiores dificuldades para os alunos desenvolverem modelos mentais adequados. Estes aspectos podem conduzir a que os alunos desenvolvam concepções erróneas. Por exemplo, consideram, com frequência, que o material que ascende à superfície, através dos vulcões, tem origem no centro da Terra.
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Por vezes, torna-se difícil, ao professor receber o feedback adequado, de forma a poder comparar o modelo mental dos alunos com o modelo, por si utilizado, para o ensino. Esta constitui uma das razões pelas quais muitos autores (e. g. Gobert (2000) recomendam a representação sistemática de modelos, pelos alunos. Para estudar o papel dos modelos analógicos no ensino/aprendizagem, em situação de sala de aula, desenvolveu-se um plano de investigação que partiu do seguinte problema: Qual a importância da construção e exploração de modelos, pelos alunos do 7º ano de escolaridade, para a compreensão da estrutura interna da Terra? Para dar resposta ao problema delimitado estabeleceram-se os objectivos seguintes: avaliar o desempenho dos alunos, através da construção de modelos da estrutura interna da Terra, após 2 aulas onde foram leccionados estes conteúdos; confrontar os alunos com os conhecimentos supostamente adquiridos, através da construção de modelos; avaliar a importância dos modelos no ensino/aprendizagem da estrutura interna da Terra (para esta amostra); orientar os alunos, para a identificação e correcção dos erros e imprecisões nos modelos, por eles construídos, através de uma actividade, aparentemente lúdica, como a caça ao erro; avaliar o impacto das actividades de construção e apresentação e de correcção dos modelos, através de um teste de avaliação escrito; e conhecer as vantagens e as desvantagens da construção e da avaliação orientada de modelos da estrutura interna da Terra. 2. Metodologia 2.1 Participantes Neste estudo participaram 54 alunos de três turmas, do 7º ano de escolaridade (A, B e C), da Escola Básica Integrada da Quinta do Conde, no ano lectivo de 2003/2004. Os alunos tinham idades entre os 11 e os 14 anos, 22 (40,7%) eram do sexo feminino e 32 (59,3%) do sexo masculino. A idade média dos rapazes (12,4 anos) era superior à das raparigas (11,8 anos). 2.2 Instrumentos Grelha de Avaliação dos Modelos - elaborada com base nos objectivos definidos para a construção e apresentação dos modelos e para a actividade de caça ao erro, pretendendo avaliar o cumprimento dos requisitos, a apresentação, o conteúdo e a capacidade de identificar e corrigir erros. Grelha de Avaliação das Respostas - elaborada com base nos objectivos definidos para o teste de avaliação, pretendendo avaliar os conhecimentos e a capacidade de aplicação destes mesmos conhecimentos. 2.3 Procedimentos O estudo empírico decorreu em três fases, antes, durante e após a apresentação, pelos alunos, de modelos, por eles construídos, sobre a estrutura interna da Terra. Antes, os conteúdos programáticos, sobre o modelo proposto para a estrutura interna da Terra, foram leccionados em dois tempos lectivos. Pretendia-se que os alunos adquirissem conhecimentos sobre o modelo da estrutura interna da Terra, baseado na composição química dos materiais e nas suas propriedades físicas. O modelo compreende os conceitos de crosta (continental e oceânica), o manto (superior e inferior) e o núcleo (externo e interno), a litosfera, a astenosfera, a mesosfera e a endosfera. Os termos mesosfera e endosfera não foram utilizados, pelo facto de não serem mencionados no manual escolar adoptado (Motta & Viana, 2002). Os alunos tiveram oportunidade de adquirir conhecimentos sobre os materiais existentes em cada camada, bem como as características relativas à temperatura, pressão, densidade e profundidade dos seus limites (superior e inferior). Durante a leccionação, caracterizou-se cada uma das camadas em apreço, através do registo no quadro e, no final, foi construído um mapa de conceitos, para sistematização. Foi igualmente utilizado um modelo da estrutura interna da Terra existente na sala de aula (modelo para o ensino). Para avaliar a aquisição de conhecimentos, foi pedido aos alunos a construção de modelos tridimensionais sobre a estrutura interna da Terra, de acordo com os conhecimentos adquiridos, e com a finalidade de serem, posteriormente, apresentados em contexto de sala de aula. Salienta-se que a construção foi efectuada, em grupo, fora da sala de aula. Os grupos foram construídos pelos alunos, por conveniência, apenas com indicação, pelo professor, do limite
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máximo de 5 alunos, por grupo. No total, resultaram 16 grupos: um com 5 alunos, cinco com 4 alunos, 9 com 3 alunos e um grupo com 2 alunos. Assim, efectuaram a construção de um modelo, por grupo, como proposto. Para a apresentação dos modelos, foram definidos os seguintes objectivos: indicar o(s) critério(s) adoptado(s) na construção; explicar a sua construção; e apresentar a informação expressa no modelo. Após a apresentação e a discussão dos modelos pelos alunos, procedeu-se a um exercício de comparação entre um dos modelos dos alunos, seleccionado ao acaso, e o modelo existente na sala de aula. Esta estratégia permitiu que os alunos se apercebessem das diferenças entre os modelos e, fundamentalmente, dos erros cometidos. Em seguida, foi-lhes proposta uma nova actividade - a caça ao erro -, para poderem identificar e corrigir os erros dos modelos por eles construídos. Para avaliar a evolução conceptual, foi implementado um teste teórico-prático, resolvido individualmente. A análise dos modelos, da actividade de caça ao erro e das respostas ao teste teórico-prático foi efectuada através das grelhas elaboradas para o efeito. Os dados foram obtidos e tratados através de técnicas de análise de conteúdo. 2.4 Análise e discussão dos dados 2.4.1. Os modelos Durante a apresentação dos modelos verificou-se uma tendência para a simplificação, ou seja, os modelos construídos pelos alunos apresentavam pouca informação. Assim, para facilitar a avaliação, estabeleceram-se duas categorias: modelos do tipo 1 e modelos do tipo 2. Nos primeiros incluem-se aqueles que apresentam uma maior simplificação e, portanto, menos informação. Os modelos do tipo 2 aproximam-se dos modelos utilizados para o ensino, ou seja, têm em consideração a estrutura através da composição química e das propriedades físicas dos materiais que compõem a Terra e são muito mais completos, apresentando, por exemplo, a profundidade dos limites das diferentes camadas. A partir da análise dos dezasseis modelos construídos e apresentados por igual número de grupos de trabalho, foi possível fazer as observações seguintes: nove grupos construíram modelos do tipo 1 enquanto os restantes sete apresentaram modelos do tipo 2; os modelos do tipo 2 representam, de forma mais correcta, as camadas, a profundidade dos limites e a legenda; quanto à representação do número de camadas, o melhor grupo do tipo 1 obteve uma percentagem igual ao pior grupo do tipo 2 (75%); a crusta foi a camada que os alunos representaram com menor rigor, enquanto o núcleo foi a representada de forma mais correcta; a legenda estava, mesmo que de forma incompleta, representada em 33% dos modelos do tipo 1 e em 57% dos modelos do tipo 2; na legenda, as camadas mais identificadas foram o núcleo (34,4%), a astenosfera (25%) e a litosfera (25 %), enquanto a crusta foi a menos identificada (12,5%); quanto à profundidade dos limites verificou-se que foi referida em 22% dos modelos do tipo 1 e em 71% dos modelos do tipo 2; e os limites das camadas melhor representados foram os do núcleo (37,5%), seguidos dos do manto (18,8%) e, por fim, com iguais percentagens (12,5%), os da crosta, da litosfera e da astenosfera. Através desta análise pode, assim, concluir-se que: os grupos que construíram modelos do tipo 2 apresentam um maior desenvolvimento das competências (ao nível dos conhecimentos, capacidades e atitudes); os grupos com os modelos do tipo 1 demonstraram dificuldades na construção dos modelos, traduzidas também, por uma maior falta de rigor; os alunos têm maior facilidade em representar as subdivisões do núcleo e maior dificuldade em representar as subdivisões da crusta. A litosfera e a astenosfera são melhor representadas nos modelos do que as subdivisões do manto (superior e inferior). Estes resultados podem traduzir a influência dos modelos para o ensino, habitualmente usados, nos quais o núcleo sobressai; e os erros de representação devem-se à falta de conhecimentos ou à falta de capacidades para aplicação dos conhecimentos, acerca da estrutura interna da Terra, supostamente adquiridos. As incorrecções traduziram-se da forma seguinte: crosta com dimensão igual à do núcleo, existindo apenas um realce do manto; não distinção da crusta continental e da crusta oceânica quanto à sua espessura e composição litológica; representação do manto superior e o manto inferior com a mesma espessura; representação da litosfera apenas na parte superior do manto, entre os 30 e os 100km de profundidade; e representação da astenosfera como equivalente a grande parte ou à totalidade do manto superior, representando-a entre os 100 e os 700km, ou considerando o seu limite superior aos 30km.
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Em suma, durante a apresentação, verificou-se a simplificação exagerada de alguns modelos, especialmente os do tipo 1, a ausência de legenda e de proporcionalidade, o que traduz falta de rigor e de conhecimentos, que deveriam ter sido adquiridos durante as aulas, ou disponíveis no manual escolar e nos materiais didácticos utilizados na sala de aula, e/ou a incapacidade em aplicá-los, numa actividade prática. 2.4.2. Caça ao Erro A execução desta actividade permitiu verificar que, todos os grupos conseguiram compreender que: o manto inferior deveria ser a camada de maior espessura, pois ocupa cerca de metade do volume da Terra; por ordem crescente de espessura, as camadas ordenam-se da seguinte forma: crosta oceânica, crosta continental, litosfera, astenosfera, manto superior, núcleo interno, núcleo externo e manto inferior; a litosfera é uma camada que se localiza entre a superfície e, aproximadamente, os 100km de profundidade, incluindo toda a crosta e parte do manto superior; e a astenosfera é uma camada que se localiza entre os 100 e os 350km de profundidade e é equivalente a uma parte do manto superior, definindo-se este entre os 30 e os 700 km de profundidade; Esta actividade decorreu, pelo menos aparentemente, com sucesso, porque os alunos detectaram facilmente os erros e as imprecisões nos modelos que haviam construído. 2.4.3. Teste teórico-prático O teste foi construído de modo a avaliar as competências dos alunos. Ao nível dos conhecimentos teóricos, através da interpretação de uma legenda do modelo da estrutura interna da Terra, verificou-se que os alunos identificam correctamente o núcleo e o manto, bem como as suas subdivisões e os erros mais comuns foram cometidos na identificação da crosta continental, da crosta oceânica e da astenosfera. Os dados parecem evidenciar que os alunos reconhecem a crosta como sendo a camada mais externa da Terra, mas, não distinguem as suas subdivisões, e identificam a astenosfera no manto superior, mas nem sempre de forma correcta, porque esta localiza-se no interior desta subdivisão do manto e não na sua totalidade. Mais uma vez, demonstram ignorar a profundidade dos limites. Quanto ao conhecimento das características das várias camadas, verificou-se que os alunos: conhecem as características das várias camadas relativamente à sua posição e temperatura relativa; desconhecem a composição e a espessura das diferentes camadas, em especial, da astenosfera, da litosfera e da crosta continental e oceânica; e, por exemplo, referem, por vezes, a água como principal constituinte da crosta oceânica, mesmo depois de afirmarem que possui material rochoso. Assim, da interpretação dos dados obtidos, pode concluir-se que: os alunos adquirem os conhecimentos relacionados com as características básicas das camadas, nomeadamente, a posição relativa, mas não as caracterizam quanto à composição e profundidade dos limites (espessura); os alunos não fazem correctamente a legenda da astenosfera, da crosta continental e da crosta oceânica; e, assim sendo, o modelo mental dos alunos não traduz o modelo para o ensino utilizado nas aulas. Ao nível da aplicação, verificou-se que num esquema do modelo da estrutura interna da Terra (aplicação prática I): apenas 31% dos alunos identificaram correctamente os componentes identificados no modelo; grande parte dos alunos identificou, de forma incorrecta, a litosfera (29%) e o manto superior (40%); e, na generalidade, identificaram, de modo correcto, a astenosfera e o manto inferior. Estes resultados parecem evidenciar que os alunos não exploram toda a informação expressa num esquema, em especial, os limites das várias camadas (profundidade) e tentam identificar as camadas expressas num modelo/esquema apenas com base num dos seus limites, optando maioritariamente pelo limite superior. Este dado pode explicar a dificuldade em identificar o esquema correcto (E) e o incorrecto (C), cujas diferenças residem apenas na localização do manto superior. Enquanto no esquema E esta camada situa-se entre os 30 e os 700km, no esquema C está representada entre os 0 e os 700 km. Quanto à interpretação de um segundo esquema do modelo da estrutura interna da Terra, (aplicação prática II) verificou-se que: 40% dos alunos identificaram correctamente o modelo e justificaram a sua opção; e 20% dos alunos não identificaram o modelo correcto porque desconheciam a espessura da crosta.
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Os resultados parecem evidenciar, ainda, que: os alunos, que adquiriram o conhecimento de que o manto corresponde a cerca de metade do volume da Terra, responderam correctamente à questão; e os alunos que se basearam na crosta, como sendo a camada de menor espessura, mas não tiveram em consideração o manto, não responderam correctamente. Globalmente, verifica-se que: os grupos que construíram modelos do tipo 2 obtiveram melhores resultados, desde a fase inicial (construção do modelo) até à fase final (teste teórico-prático); e que, comparando com os resultados de frequência, anteriores à leccionação dos conteúdos em apreço, 22 alunos, em especial aqueles que apresentavam menor classificação, melhoraram o seu rendimento, 18 alunos, em especial aqueles que já tinham bom aproveitamento, mantiveram o seu rendimento, e 14 alunos, em especial aqueles que pertenceram aos grupos com maior número de elementos, pioraram o seu aproveitamento. Conclusões A partir dos resultados do teste teórico-prático, verifica-se que os alunos não melhoraram significativamente as suas competências, em especial, a nível da aplicação de conhecimentos, pelo que, eventualmente, teria sido importante uma segunda fase de construção de modelos, após a actividade de caça ao erro. Contudo, estas práticas não são compatíveis com a carga horária e a extensão dos programas curriculares. Quando se comparam os resultados, obtidos pelos diversos grupos, verifica-se que, na generalidade, os que construíram modelos do tipo 2 obtiveram melhores resultados, desde a fase inicial (construção do modelo) até à fase final (teste teórico-prático). A nível de aproveitamento global, foi possível concluir que 22 (40,7%) alunos melhoraram o seu rendimento, em especial os alunos que apresentavam menor classificação, 18 (33,3%) alunos mantiveram o seu rendimento, em especial aqueles que já tinham bom aproveitamento, e 14 (25,9%) alunos pioraram o seu aproveitamento, em especial aqueles que pertenceram aos grupos com maior número de elementos. Estes valores, válidos apenas para este estudo, permitem concluir acerca das vantagens da construção de modelos, pela parte dos alunos, mas, também, de eventuais desvantagens, que seria necessário delimitar com maior rigor. Os resultados sugerem que, mesmo utilizando práticas de ensino-aprendizagem diferentes, não foi possível que todos os alunos adquirissem/desenvolvessem conhecimentos e capacidades, no âmbito dos conteúdos programáticos relacionados com a estrutura interna da Terra; contudo, traduzem as vantagens que estas práticas têm junto de muitos dos alunos que, tradicionalmente, obtém menos rendimento escolar. E, de qualquer forma, poderia acontecer, caso os alunos não tivessem participado nas actividades apresentadas, que os resultados de avaliação fossem menos satisfatórios. Estas práticas, em que os alunos expressam, através de modelos analógicos, os conhecimentos adquiridos, não devem constituir momentos isolados, dado que se verificaram, por exemplo, dificuldades na representação tridimensional e uma tendência para a simplificação dos modelos. Estas dificuldades poderiam ser, certamente, diminuídas através de exercícios continuados de construção de modelos, exploração das suas características, avaliação e revisão, no sentido de Justi & Gilbert (1999). Em suma, pode concluir-se que a construção e apresentação, pelos alunos, de modelos analógicos durante as aulas, modificam, pelo menos em parte, as aprendizagens e auxiliam o professor a detectar, mais facilmente, as concepções erróneas dos alunos, podendo funcionar, também, como um bom exercício de investigação-acção. Referências Bibliográficas Cool, R.K. & France, B. (2005) - The role of/models/and analogies in science education: implications from research, Int. J. Sci. Educ., 27, 2, 183-198. Garnero, E.J., Kennett, B. & Loper, D.E. (2005) - Editorial. Studies of the Earth’s Deep Interior - Eighth Symposium, Phys. Earth Planet. Int., 153, 1-2. Gobert, J.D. (2000) - A typology of causal models for plate tectonics: inferencial power and barriers to understanding, Int. J. Sci. Educ., 22, 9, 937-977. Harrison, A.G. & Treagust, D.F. (1996) - Secondary students’mental models of the atoms and molecules: implications for teaching chemistry. Science Education, 80 (5), 509-534. Justi, R. & Gilbert, J. (1999) - A cause of ahistorical Science teaching: use of hybrid models, Inc. Sci. Ed., 83, 163-177. Motta, L. & Viana, M. (2002) - Bioterra. Terra no Espaço. Terra em Transformação, Porto Editora, Porto, 120-123.
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